第12届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文(B)
氢等离子体气相反应的模拟和实验研究
李新利李新利 陈喜平陈喜平 周建朋周建朋 李艳阳李艳阳 陈永生陈永生 卢景霄?
杨仕娥杨仕娥
郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室, 郑州 450052
联系方式：Email ：lilymaomimi@https://www.doczj.com/doc/cd15689677.html,
摘要: 甚高频等离子体增强化学气相沉积微晶硅薄膜太阳能电池，已得到广泛应用。
因为微晶硅薄膜的沉积是个复杂的放电过程，其生长机理仍是目前研究的热点。在微晶硅薄膜的沉积过程中硅烷的浓度一般小于10%，辉光放电中主要参与反应的仍为氢等离子体，所以主要对氢等离子体的放电过程进行了光发射谱实验监测和计算机模拟。随着功率的增加，电子浓度和等离子体势均单调增大，而电子温度基本不变，仅在等离子体体层与鞘层界面附近区域随功率的增大略有增大。实验和理论模拟的结果是相吻合的。随压强的增加，H α、H β和H*发射基团的强度均呈现下降的趋势，H β/H α的比值呈现增加的趋势。随气体流量的增加，H α、H β和H*发射基团的强度呈现增加的趋势，H β/H α的比值则呈现出弱的下降，随后基本保持不变。随着沉积时间的增加，这些发射基团首先是快速增加的过程，然后达到稳定状态；而H β/H α的比值则呈现出弱的下降的过程，然后进入稳定状态。
关键词： 氢等离子体；光发射谱；生长机理 1.1.引引 言
甚高频等离子体增强化学气相沉积方法制备微晶硅薄膜太阳能电池已经得到了广泛研究，但是微晶硅薄膜的生长是个复杂的过程，所以其生长机理还不是很明确。研究生长机理，可以在薄膜制备过程中为调控其结构、优化材料性能和提高电池的效率等方面具有重要指导意义。
微晶硅薄膜的沉积是一个复杂的辉光放电过程，直接对微晶硅薄膜的沉积过程进行模拟其难度和计算量都比较大，且对服务器的性能要求也较高。张晓丹等[1]采用二维流体模型研究了微晶硅薄膜的高速沉积过程。何宝华[2]等人采用软件模拟了硅烷和氢气混合气体的气相反应，得出了在沉积微晶硅薄膜时SiH 3是主要的成膜先驱物。在微晶硅薄膜的沉积过程中参与反应的硅烷浓度较低，辉光放电中主要参与反应的仍然为氢等离子体，所以首先对氢等离子体的放电过程进行光发射谱实验监测和计算机模拟。
在薄膜的制备过程中，为了提高薄膜的沉积速率一般采用高压高功率的方法。为了使模拟更加接近实验状况，本文在对氢等离子体进行模拟时采用高压高功率的条件。在模拟时按照实验仪器的条件设置反应模型，并对实验和模拟的结果进行对比。辉光功率是调节等离子体特性时最容易实现的手段，重点考虑了功率对气相反应的影响，另外也分析了反应压强、气体流量和反应时间等因素对等离子体特性的影响。
2.2.模拟和实验模拟和实验模拟和实验
对氢等离子体的模拟采用Comsol 商业化软件中的等离子体模块来进行的。对氢等离子体进行模拟时采用二维轴对称模型，根据实验过程中的反应腔室结构设置模型(如图1所示)。为了模拟的方便，把上下极板的面积设置为大小相等，且为均匀放电模型。在实验和模拟中均采用的激发频率为75MHz ，极板间距1cm ，反应压强450Pa 。
图1.反应腔室结构示意图
在模拟时我们只要把边界条件和反应
的初始条件设置好后，在计算的过程中会根据连续性方程、能量守恒方程和泊松方程等得到反应时的电子浓度，以及反应中等离子体内的各种反应基元的浓度等信息。在反应的时候主要采用一个弹性碰撞反应、三个激发反应和一个电离反应[3]：
e+H 2=>e+H 2 e+H 2=>e+H 2α e+H 2=>e+H+H α e+H 2=>e+H+H β e+H 2=>2e+H 2+
反应的横截面数据[4]可以从图2中查得。
10
10101010
10
σ/m
2
图在两电极之间的放电区域大体上可以划分为三个部分：中部是辉光区，简称等离子体体区，两个电极内表面附近很薄的区域是不发光的暗区，简称鞘层区。采用在线光发射谱仪对氢等离子体进行实验监测，得到
如图3所示的光发射谱。对氢等离子体来说，由于仪器的限制，我们主要获得了在486nm 附近的H β、656nm 附近的H α和603nm 处的H*三种激发态下光发射谱的发光情况。通过改变反应参数，得到了在不同辉光功率、不同压强条件下的光发射图谱以及随反应时间的变化。
λ /nm
图3.甚高频下氢等离子体的光发射图谱
3 3 结果与讨论结果与讨论
首先从模拟和实验两个方面分析了辉光功率对氢等离子体特性的影响。功率从34W 增加到70W ，沉积压强和激发频率等
参数保持不变。
图4为模拟得到的氢等离子体的电子浓度n e 、电子温度T e 和电势V 的二维分布
情况。
10
n e /m -3 ×1016
/m m
10
5T e /e V
m m
10
V / V
图4 氢等离子体二维模拟结果：(a)电子浓度；(b)
电子温度；(c)电势
从图4中可以看出：电子浓度呈高斯分布，中心等离子体体区的电子浓度最高，两鞘层区最低。电子温度的分布则是中部比较低，并且变化比较平缓，两侧相对较高。电势是中心处较高，并且比较均匀，两侧则快速下降。造成上述结果的主要原因是[5]：电子的质量比正离子小得多，因此电子向极板的扩散速度比正离子快得多，这使得到达极板的电子要远远多于离子的数量，这就导致中部高于两侧的电势分布，正是这种电势分布起到降低电子速度、增加正离子速度的作用，促使从等离子体体区迁移到极板的正、负电荷数保持平衡，从而维持等离子体体区的电中性。根据玻尔兹曼关系[6]，电子浓度随着电势的降低而降低，因而形成中部
高、两侧低的浓度分布。由于电子质量比正
离子小得多，电子不会与正离子达到热平衡，电子受电场加速向极板迁移过程中所获得的能量就不断提高了电子的温度。
Z/m
Z/m
V /V
Z/m
T e
/e V 图5 模拟下氢等离子体中(a)电子浓度; (b)电势; (c)电子温度随功率的变化
值得注意的是，图4中各等离子体参数在z 轴方向上(极板间距)变化较大，而在
r轴方向上除了极板边缘略有起伏外基本
保持不变。也就是说，等离子体在r轴方向分布较均匀。因此，在研究等离子体特性随放电参数的变化时，将上述二维分布图沿r=0处做切割线，重点研究在z轴方向等离子体特性的变化情况。
对辉光等离子体来说，改变输入功率[7]是最容易实现改变等离子体特性的手段。为了更好的分析辉光功率对等离子体的影响，所以保持压强和极板间距等这些参数不变。由于等离子体随z轴的变化比较明显，所以主要分析等离子体参数随z轴的变化趋势。
图5为氢等离子体的电子浓度n e、电子温度T e和等离子体电势V随功率的变化情况。随着辉光功率的增加，电子浓度n e和等离子体势均单调增大，而电子温度T e基本不变，仅在等离子体体层与鞘层界面附近区域T e随功率的增大略有增大。虽然我们在实验中没有办法直接获得等离子体的电子温度，但是有文献[8]从实验方面表明，当功率在较小的范围内变化时，放电功率对电子温度的影响不大。辉光功率的增加使得对氢分子的分解加快，并且也加速了氢分子的激发和电离速率，而电子在该过程起着传递能量的作用。
图6给出了模拟和实验中得到的Hα和Hβ的数密度及二者的比值随功率的变化关系。图中空心虚线为模拟得到的数值，实心实线为实验下得到的数值。当辉光功率增大时，Hα和Hβ的数密度均呈现增加的变化趋势，但是实验中得到的Hα的增加趋势要比模拟的增加趋势要缓一些，而对Hβ的变化趋势来说，实验和理论模拟的结果还是比较一致的。
n
H
/
m
-
3
x
1
1
6
Power/W
Power/W
Hβ
/
Η
α
图6 H
α
和H
β
的数密度及H
β
/Hα随功率的变化因为在理论模拟时限制了其它的反应条件保持一致，而在实验过程中受到的干扰因素要明显增多，可能是其它原因导致了Hα在随功率增加过程中，没有模拟的增加趋势快。对Hα和Hβ的之间的比值来说，模拟和实验得到的结果均为随着功率的增加呈现一个弱的减小的变化趋势，可以看出我们的实验和理论模拟的结果还是很一致的。理论模拟和实验的对比，看出我们的实验存在的误差较小，所以接下来我们从实验上分析不同沉积条件下等离子体特性的变化。
对氢等离子体随压强变化的光发射谱也进行了分析。压强的变化是从500Pa增加到900Pa。图7中给出了归一化后的发射峰强度随压强的变化趋势。可以看出随着压强的增加，这些发射基团的强度均呈现下降的趋势。因为随着反应压强的增加，电子与氢气
分子的碰撞几率增大，但是对激发和电离反应的影响比较小，所以电子浓度增大的并不是很明显[9]。但是随着压强的增加，H β/H α的比值呈现增加的趋势，表明增加压强后等离子体中的电子温度呈现增加的趋势。
Pressure /Pa
图7 H α,H β的数密度及比值H β/H α随压强的变化
气体流量对氢等离子体的影响也进行了研究。随着气体流量的增加，这些发射基团的强度呈现增加的趋势(见图8)，这是因为压强功率等这些反应条件不变，增加气体流量相当于增加了气体中的参与反应的粒子的浓度，促进了电子碰撞反应，所以能够使被激发的基团得到增加，但是H β/H α
的比值则呈现出弱的下降，随后基本保持不变。
Flow /Sccm
图8 H α和H β的数密度及H β/H α随气体流量的变化
等离子体起辉之后需要经过一定的时间达到稳定状态，接下来对氢等离子体随反应时间的变化(见图9)进行了分析。可以看
出随着反应时间的增加，这些发射基团首先是快速增加的过程，然后达到稳定状态；而H β/H α的比值则呈现出弱的下降的过程，然
后进入稳定状态。
Time /s
Time /s
H β/H α图9 H α、H β的数密度及H β/H α随反应时间的变化
以上分析了反应参数，如辉光功率、压
强、气体流量和反应时间等对氢等离子体的影响。通过对氢等离子体的模拟和实验研究
证实了模拟和实验结果的一致。从模拟得到的结果为进一步分析硅烷等离子体的模拟计算提供理论数据的支持。
4.结 论
本文主要对氢等离子体的放电过程进行了光发射谱实验监测和计算机模拟。随着功率的增加，电子浓度和等离子体势均单调增大，而电子温度基本不变，仅在等离子体体层与鞘层界面附近区域随功率的增大略有
增大。实验和理论模拟的结果是相吻合的。随着压强的增加，Hα、Hβ和H*发射基团的强度均呈现下降的趋势，Hβ/Hα的比值呈现增加的趋势。随着气体流量的增加，Hα、Hβ和H*发射基团的强度呈现增加的趋势，Hβ/Hα的比值则呈现出弱的下降，随后基本保持不变。随着沉积时间的增加，这些发射基团首先是快速增加的过程，然后达到稳定状态；而Hβ/Hα的比值则呈现出弱的下降的过程，然后进入稳定状态。通过分析各反应参数对氢等离子体特性的影响，为接下来研究微晶硅薄膜生长的气相反应过程提供支持。
参考文献
参考文献
[1]Zhang X D, Zhang F R, Amanatides E, et al, Thin Solid Films, 2008, 516, 6829-6833 [2]何宝华、杨仕娥、陈永生，等南京：第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集，408. [3]Marques L, Alves L L, J. Appl. Phys. 2007,102(6):063305
[4]Yoon J S, Song M Y, Han J M, et al, J. Phys. Chem. Ref. Data. 2008,37(2) , 913-931 [5]张谷令，敖玲，胡建芳，刘元富，编著，应用等离子体物理学，首都师范大学出版社，北京，2008
[6] 小沼光晴，等离子体与成膜基础，国防工业出版社，1994
[7] 迈克尔.A.力伯曼，阿伦.J.里登伯格著蒲以康等译2007 等离子体放电原理与材料处理(北京: 科学出版社)
[8] Guo L H , Kondo M, Fukawa M, et al, Jpn.J. Appl.Phys. 1998, 37,L1116-L1118 [9] Novikova T, Kalache B, Bulkin P, et al, J. Appl. Phys. 2003,93(6): 3198-3206
一、等离子体-物质第四态 如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反应提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。 二、等离子体的产生 获得等离子体的方法和途径是多种多样的。通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和发展气体放电。现代气体放电的研究大致可分为两个发展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33
(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反应的研究。近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的发展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按激励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。 在等离子体发展的不同阶段和从不同的研究角度，它的分类方法也不同，下面介绍按温度分类的等离子体[２]（见下表）
等离子体增强化学气相沉积技术基础 §1.1等离子体概论 §1.1.1等离子体的基本概念和性质 近代科学研究的结果表明，物质除了具有固态、液态和气态的这三种早为人们熟悉的形态之外，在一定的条件下，还可能具有更高能量的第四种形态——等离子体状态。例如通过加热、放电等手段，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度达到一定的数值时，物质的状态将发生新的变化，这时的电离气体已经不再是原来的普通气体了。由于这种电离气体不管是部分电离还是完全电离，其中的正电荷总数始终和负电荷总数在数值上是相等的，于是人们将这种由电子、离子、原子、分子或者自由基团等粒子组成的电离气体称之为等离子体[ 1]。 不管在组成上还是在性质上，等离子体不同于普通的气体。普通气体由电中性的分子或原子组成，而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。等离子体和普通气体在性质上更是存在本质的区别，首先，等离子体是一种导电流体，但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性；其次，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力；再者，作为一个带电粒子体系，等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。因此，等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。 应当指出，并非任何的电离气体都是等离子体。众所周知，只要绝对温度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离。严格地说来，只有当带电粒子地密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，换言之，这样密度的电离气体才能够转变成等离子体。除此之外，等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度，如果电离气体的空间尺度L不满足等离子体存在的空间条件L>>λD（德拜长度λD为等离子体宏观空间尺度的下限）的空间限制条件，或者电离气体的存在的时间不满足τ>>τp（等离子体的振荡周期τp为等离子体存在的时间尺度的下限）时间限制条件，这样的电离气体都不能算作等离子体[2]。 §1.1.2等离子体的特性参数描述
等离子体分析实验报告 摘要: 本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，并简要介绍了等离子体的应用,最后对实验结果进行讨论。 关键词:等离子体、单探针、双探针 (一)引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 （二）实验目的 1，了解气体放电中等离子体的特性。 2，利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 （三）实验原理 1，等离子体的物理特性 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。
（3）宏观上是电中性的。 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度e T 。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为e n ，正离子密度为i n ，在等离子体中e i n n 。 （3）轴向电场强度L E 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能e E 。 （5）空间电位分布。 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10～102 Pa 时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图一所示。8个区域的名称为 （1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区， （6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。其中正辉区是等离子区。 辉光放电的光强、电位和场强分布 2，单探针与双探针法的测量原理 测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微
等离子体物理 姓名: 摘要：本文简要介绍了等离子体的概念，等离子体的发展史，等离子体按焰温度和所处状态的分类，并且例举了在地球上和地球外的常见等离子体，也简单介绍了等离子体在冶炼、喷涂、焊接、刻蚀、隐身和核聚变各个方面的应用。另外，对等离子体的现状做了介绍，对其前景也做了展望。而主要介绍了等离子体物理学的理论，包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论三个方面，并一一展开详细介绍了这三个理论，最后得出三大理论相互联系的结论。 关键词：等离子体；粒子轨道理论；漂移；等离子体动力论；湍流；孤立子；等离子体中波； 引言： 大家早已熟知物体的固体、液体和气体三态。将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或者完全电离，则原子变成离子。如果正离子和负离子数目相等即为等离子体。自20世纪50年代以来，等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。在实验上，已经取得很大的成就。在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，相信随着人们对等离子体性质研究的不断深入，我们会能够将其应用在更多领域。 一．等离子体概念 从广义上说，等离子体是泛指一些具有足够的能量自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为主的物质，例如，半导体、电解液都是等离子体。 从狭义上讲，等离子体是普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体【1】。 等离子体又叫做电浆，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固﹑液﹑气外，物质存在的第四态。 在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，
等离子体特性研究 Research on Plasma 【教学基本要求】 1．了解计算机数据采集的基本过程和影响采集精确度的主要因素。 2．掌握气体放电中等离子体的特性与特点。 3．掌握描述等离子体特性的主要参量及各参量的影响因素。 4．理解等离子体诊断的主要方法，重点掌握单探针法。 5．了解等离子体研究实验软件的主要功能，熟练操作软件。 【授课提纲】 1．等离子体物理学科发展史和主要研究领域（1）等离子体物理学科发展简史 ●19世纪30年代起 ●20世纪50年代起 ●20世纪80年代起 （2）等离子体物理主要研究领域 ●低温应用等离子体 ●聚变等离子体 ●空间和天体等离子体 2．认识等离子体 （1）空间等离子体展示 （2）宇宙中90％物质处于等离子体态 （3）等离子体概念 （4）等离子体分类 （5）等离子体是物质第四态 （6）等离子体参数空间 （7）电离气体是一种常见的等离子体 （8）等离子体特性和主要参量 3．等离子体诊断 （1）德拜屏蔽和准中性 （2）等离子体诊断－单探针法
【板书内容】 等离子体特性研究 φφtan 11600tan == k e T e e e kT E 23= e e e m kT v π8= kT m eS I v eS I n e e e π2400= = ()? ????-== =e s p e e kT U U e I Se n e N I exp 41 ? C kT eU I e p += ln e e e e n v E T ，， ，
【实验报告】 等离子体特性研究 【实验目的】 1. 了解气体放电中等离子体的特性。 2. 利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 【实验原理】 等离子体（又称等离子区）定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性：① 高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。② 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。③ 宏观上是电中性的。 虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。然而，电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度。 1. 等离子体的主要参量 描述等离子体的主要参量有：① 电子温度T ，它是等离子的一个主要参量，因为在等离子中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关；② 带电粒子密度，电子密度为ne ，正离子密度为ni ，在等离子体中ne ni 。；③ 轴向电场强度EL 。表征为维持等离子体的存在所需的能量；④ 电子平均动能e E ；⑤ 空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率p f 称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。 2. 稀薄气体产生的辉光放电 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在Pa 2 10~10时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，分别为阿斯顿区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正辉区（即正辉柱）、阳极暗区、阳极辉区。正辉区是感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多，这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105K ），但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。
基于Fokker-Planck方程的等离子体模拟 ALI SHAJII，DANIEL SMITH MKS Instruments, 90 Industrial Way, Wilmington, MA, USA, 01887 对于各个计算组织，等离子体的 模拟一直是个极大的挑战，有很多不 同近似程度的模拟计算方法。包括完 整的动力学计算方法，流体近似方法 和关于漂移扩散方程的方法。近几年 来，有人用Fokker-Planck方程处理 等离子体中的电子，同时把离子当作 流体进行耦合计算，获得了很好的计 算结果。本章我们将介绍基于通用 Fokker-Planck方程的计算求解过程， 并通过一个具体实例得到电容放电过程的电子密度分布。希望通过该简单模型使读者对等离子放电建模过程有个初步的了解。 1．引言 各种工业等离子体应用“过程”中都存在一个关键步骤[2][3]。历史上曾采用各种不同方法对等离子体进行简化建模，分别对应于不同层面问题所需准确性 [3][5][7]。这些层面包括： ●完整的动力学模型（多组分Boltzmann方程）[4]； ●使用Monte-Carlo方法的颗粒模拟[3]； ●Fokker-Planck近似[1][7]； ●多尺度流动模型（也被称作漂移扩散模型）[3]。 出于种种原因，使得 等离子体的建模和模拟 非常困难。首先，最直接 的使用多流体方程的模 型不能反应相关的等离 子体物理过程。其次，“水 动力学”系数完全取决于 研究的特定问题，不能作 为纯气体或液体的常数 简单测量。最重要的一点 是，完整的动力学模型包 括Boltzmann方程，计算 求解非常困难。 对于完整动力学模型和流动模型之间的需求空白，通常采用Fokker-Planck (FP)近似或者Monte Carlo (MC)颗粒模拟。这两种方法可以在所需计算复杂度和捕获等离子体重要物理细节之间找到一个很好的平衡。 本章的主要目的是展现用COMSOL Multiphysics求解FP方程的功能。为了对该问题给出一个整体认识，我们把侧重点集中在一个简单的例子上。特别是在
直流辉光等离子体系列实验报告 陈金杰合作者张帆指导老师乐永康 （复旦大学物理系上海 200433） 摘要：利用直流辉光等离子体实验装置,获得等离子体。并研究直流低气压放电现象，测量等离子体伏安曲线，测定气体击穿电压验证帕邢定律，利用Langmuir单探针和Langmuir双探针测量等离子体的密度、温度和德拜长度等参数。并就相关现象进行讨论。 关键词：直流辉光等离子体气体放电伏安特性击穿Langmuir探针 引言：关于等离子体 等离子体（Plasma）是一种由大量正、负带电粒子和中性粒子组成的准中性气体，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体（plasma）”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等离子是具有高位能动能的气体团，等离子的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的的自由电子。等离子体可通过放电、加热、光激励等方法产生,它有以下特点: [1] (1) 电子温度高于离子温度 由于电子和离子的质量差别悬殊,电子更容易从电场中获得能量,因此电子的平均动能远大于离子的平均动能,即电子和离子有各自独立的不同平衡温度。电子温度比离子温度高得多,而离子温度与等离子体中中性粒子温度一样。引入等离子体中的极板也可以保持较低的温度。等离子体高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 (2) 具有丰富的活性粒子 通过与电子的非弹性碰撞,各种粒子得到活性激发。这些活性粒子具有不同能量,可在固体表面发生各种物理和化学效应。所以需要在很高温度下才能进行的化学反应在等离子体中很容易完成。 (3) 存在等离子体鞘层 在等离子体中引入负(或正) 电极,为屏蔽外电势对等离子体的影响,在电极周围形成正(或负) 电荷层,称为等离子体鞘层。以等离子体电位为零电位,则外加电压完全降落在这一鞘层上。进入这一鞘层的正离子受到加速,得到数值上相当于电势能的动能。调节外加负电压的数值,正
南京大学物理系实验报告 题目实验2.3 气体放电中等离子体的研究 姓名朱瑛莺 2014年4月4日学号 111120230 一、引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 二、实验目的 1、了解气体放电中等离子体的特性。 2、利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 三、实验原理 1、等离子体及其物理特性 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 2、等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为n e ，正离子密度为n i ，在等离子体中n e ≈n i 。 （3）轴向电场强度E L 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ee 。 （5）空间电位分布。 3、稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10-102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。 如图1所示，其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105Ｋ），但放电气体的整体温
在强激光等离子体相互作用中正电子束的发射 第一个测量强激光产生正电子束的装置已经制成。在不同的激光产生条件下通过测量不同的正电子能量峰值下的正电子发散和源尺寸得到发射值。对于其中一个激光产生条件，我们使用了一个空间paper-pot 技术来改善发射值。相比于使用在现在加速器上的正电子源，在100和500mm.mard之间激光产生正电子有一个几何发射。在5-20Mev能量范围中，每束 1010-1012个正电子中，这种低的束流发射度是准单能的，这可能在未来加速器中能作为替代正电子源。 最近的实验表明，在FWHM中大约20-40度的发散角下，用强短脉冲激光照射富含高Z的目标靶可以产生数量众多的准单能兆电子伏特的正电子。这个实验表明了可以使用激光产生正电子作为直线加速器中的替代源的可能性。使用激光产生正电子作为新的替代源取决于一些潜在的优势，大大减小的物理尺寸，更少的成本和束流品质的提高比如每个脉冲的粒子数，能量范围，束流发射度。这些优势正是基于激光尾场的电子加速器概念所追求的。 传统的正电子源通常包含高能量的电子束和富含Z的目标靶。例如，SLC使用了一个120 Hz, 30 GeV, 30kW的电子束和一个24mm厚，水冷却式W(90%)-Rh(10%)目标靶来产生正电子。一个两千米长的直线加速器需要产生电子驱动束。在2-20 MeV范围内，大约500mm.mrad的几何发散度下，在加速系统中 可以捕捉到每束5×1010的正电子束。在被放进加速器之前，被收集到的正电子 束要先被加速到 1.2 GeV并且被传送到一个发射制动环中。 用强激光产生正电子的同时会在高Z目标靶中产生相似的电子。用一个持续 的非常短强激光脉冲照射一个1mm厚，直径2mm的金制目标靶，产生1010-1012个 5-20MeV的准单能正电子。既然这是总电子能量其中包含了决定正电子产量的兆电子伏特电子，所以激光的功率会比激光的强度更重要。相同的物理过程在基于正电子源的的加速其中是有优势的。在BH过程中，激光产生热电子制造能产生和原子核相互作用的正负电子对的轫致辐射光子。考虑到对比每个脉冲的粒子数和粒子能量，这篇文章会阐述激光产生正电子束的几何发射度，和与在SLC 中~500mm.mard的比较结果。 几何发散度 ，被定义为，其中x和x'表示在x轴上的 粒子的位置和发散，代表一束中粒子的平均数。发散角的上限，其中和分别是原尺寸和发散角度的平方根。这篇文章说明了四个驱动激光正 电子能量6,12,17,28MeV的发射度上限。我们展示的发散度是通过1-D方法得到的。 考虑到非常小的激光焦点的结合和在20至40度范围内测量正电子束的发散，可能会预期正电子发射度可能小于10mm.mard。然而，实际的源尺寸和激光产生正电子束的发散度比预想的更大，如图1a所示。在激光中产生的热电子通过目标靶传送，所以，在目标靶任意深度中，正电子构成的区域都会比激光中焦点区域大。小部分有足够动能的正电子可以跃出目标靶并且成为有用的作为正电子源。跃出表面的正电子在目标靶背面的横向分布决定了原尺寸大小。源
PECVD PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) -- 等离子体增强化学气相沉积法PECVD：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD). 实验机理：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。 优点： 基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。 缺点如下： 1.设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高； 2.涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害； 3.对小孔孔径内表面难以涂层等。 例子：在PECVD工艺中由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。衬底温度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层，提高集成电路的可靠性。 几种PECVD装置 图（a）是一种最简单的电感耦合产生等离子体的PECVD装置，可以在实验室中使用。 图（b）它是一种平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。 图（c）是一种扩散炉内放置若干平行板、由电容式放电产生等离子体的PECVD装置。它的设计主要为了配合工厂生产的需要，增加炉产量。
实验目的： （1）掌握电感耦合等离子体原子发射光谱仪的原理与结构； （2）掌握ICP-AES进行微量元素测定的方法； （3）了解标准溶液以及它的保存和使用方法； 实验原理： ICP光源具有环形通道、高温、惰性气氛的特点。因此，ICP-AES具有检出限低，精密度高，线性范围宽、基体效应小等优点，可用于高、中、低含量的70种元素的同时测定。 ICP-AES包括：1.高频发生器2.等离子体炬管3.试样雾化器4.光谱系统ICP-AES的原理：当高频发生器接通电源后，高频电流通过感应线圈产生交变磁场。开始时，管内为Ar气，不导电，需要用高压电火花触发，使气体电离后，在高频交流电场的作用下，带电粒子高速运动，碰撞，形成"雪崩"式放电，产生等离子体气流。在垂直于磁场方向将产生感应电流（涡电流，粉色），其电阻很小，电流很大(数百安)，产生高温。又将气体加热、电离，在管口形成稳定的等离子体焰炬。 ICP-AES特点：(1)温度高，惰性气氛，原子化条件好，有利于难熔化合物的分解和元素激发，有很高的灵敏度和稳定性；(2)"趋肤效应"，涡电流在外表面处密度大，使表面温度高，轴心温度低，中心通道进样对等离子的稳定性影响小。也有效消除自吸现象，线性范围宽（4～5个数量级）；(3)ICP中电子密度大，碱金属电离造成的影响小；(4)Ar气体产生的背景干扰小；(5)无电极放电，无电极污染；ICP焰炬外型像火焰，但不是化学燃烧火焰，气体放电。 实验仪器: 电感耦合等离子体原子发射光谱仪、计算机 实验步骤： （1）依次打开电源、稳压器开关，预热五分钟，打开冷却循环水、空气压缩机和排风开关，打开氩气钢瓶调节分压表压力为0.6Mpa左右。 （2）开主机。打开显示器，计算机和打印机。 （3）打开iTEVA软件的plasma status对话框，进入点火界面，确认status状态正常（无红色图标），点击开启等离子体键。 （4）点着火使等离子体稳定15-30分钟，并在观察CID温度<-40℃。RF和光室温度稳定。建立分析方法。
朱洪波等：矿渣粉、高钙灰及其改性材料对水泥早期水化进程的影响· 531 ·第36卷第4期 等离子体化学气相沉积法合成石英玻璃 宋学富1，孙元成2，钟海2，王宏杰2，顾真安2 (1. 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001；2. 中国建筑材料科学研究总院，北京 100024) 摘要：用高频等离子体作为热源，采用化学气相沉积法合成了石英玻璃样品。实验分别使用O2和空气作为等离子体电离气体和冷却保护气体，改变等离子体电离工作气体种类时，等离子体火焰长度和石英玻璃沉积温度变化较大，而灯具冷却保护气体的改变对等离子火焰长度和石英玻璃沉积温度的影响不大。当等离子体电离气体和灯具保护气体均为O2时，等离子体火焰长度为12cm，石英基体温度为1300℃，当等离子体电离气体和灯具保护气体均为空气时，等离子体火焰长度可达24cm，石英基体温度升高到1840℃，可确保气相沉积过程进行，合成的石英玻璃在波长190nm处光透过率达84%，羟基含量3.5×10–6，可达到全光谱透过的要求。 关键词：等离子火焰；化学气相沉积；石英玻璃 中图分类号：TQ171；O643 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2008)04–0531–04 SYNTHESIS OF SILICA GLASS BY PLASMA CHEMICAL V APOR DEPOSITION METHOD SONG Xuefu1，SUN Yuancheng2，ZHONG Hai2，WANG Hongjie2，GU Zhen’an2 (1. School of Material Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001; 2. China Building Materials Academy, Beijing 100024, China) Abstract: Silica glass was synthesized by plasma chemical vapor deposition method, which uses inductively coupled plasma as the heat source. Air and oxygen were separately used as ionized gas and protecting gas. The influence of ionized gases on the length of plasma flame and the temperature of substrate is more significant than that of the protecting gases. A length of 24cm plasma flame and a deposition temperature of 1300℃were obtained when oxygen was used as both ionized gases and protecting gases, but in the case of air, the length of plasma flame was 24cm and the deposition temperature was 1840℃. Both of the longer plasma flame and the higher deposition temperature offered a good condition to deposit high quality silica glass. The silica glass has 84% transmittance at a wavelength of 190nm and 3.5 10–6 of the hydroxyl group, which is the glass of full-spectrum transmittance. Key words: plasma flame; chemical vapor deposition; silica glass Silica glass has the low thermal expansion coefficient, low conductivity, good thermal shock resistance, corro-sion resistance and excellent spectrum transmittance, because of the high bond energy and compactness of the network structure. Thus it has become the fundamental material of the high-tech field and has been widely used in optics, photoelectrons and dielectric materials.[1–2] Higher properties of silica glass are required with the development of space technology, and the silica glass prepared by common chemical vapor deposition (CVD) method does not meet these requirements, because it contains a large quantity of hydroxy groups. Recently, the plasma chemical vapor deposition (PCVD) method has been widely used to prepare optical fiber, nanomaterials and thin films, and in heat treatment of materials.[3–4] The cleanliness of its heat source ensures the purity of materials and avoids secondary pollutant. In this paper, silica glass was synthesized by PCVD. 1 Experimental procedure A high frequency current was obtained by a modified 收稿日期：2007–10–01。修改稿收到日期：2008–01–30。第一作者：宋学富(1978—)，男，博士研究生。 通讯作者：顾真安(1936—)，男，中国工程院院士。Received date:2007–10–01. Approved date: 2008–01–30. First author: SONG Xuefu (1978–), male, postgraduate student for doctor degree. E-mail: songxuefu@https://www.doczj.com/doc/cd15689677.html, Correspondent author: GU Zhen’an (1936–), male, academician of the Chinese Academy of Engineering. E-mail: guzha@https://www.doczj.com/doc/cd15689677.html, 第36卷第4期2008年4月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 36，No. 4 April，2008
等离子体物理 等离子体物理学是研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙中的大部分物质都存在于等离子体中。例如，当太阳中心的温度超过1000万度时，太阳的大部分质量处于等离子体状态。地球上空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对气体放电和20世纪初以来电离层的研究推动了等离子体的研究。自20世纪50年代以来，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，等离子体物理的研究蓬勃发展。 1图书信息 书名: 等离子体物理 作者：郑春开 出版社：北京大学出版社 出版时间：2009-7-1 ISBN: 9787301154731 开本：16开 定价: 25.00元 2内容简介 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是
从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 3图书目录 第1章聚变能利用和研究进展 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 2.聚变的燃料资源丰富 3.聚变反应是巨大太阳能的来源 1.2 聚变能利用原理 1.聚变能利用的困难 2.受控热核反应条件——劳森判据与点火条件 1.3 实现受控热核反应的途径 1.磁约束——利用磁场约束等离子体 2.惯性约束——激光核聚变 1.4 磁约束原理及其发展历史 1.磁镜装置 2.环形磁场装置 3.托卡马克装置进展 1.5 惯性约束——激光核聚变
近代物理实验系列-等离子体诊断实验实验指导手册(教师用书) 东北大学 2017.6.30
等离子体是由中性粒子、电子、离子、光子等基本粒子组成的各向异性运动的物质形态，被称为除了固态、液态、气态外物质第四态，等离子体应用广泛，也是近代物理、材料研究的重要领域之一。因此，也是大学物理以及相近专业的近代物理实验课程的必修内容。改变插入到放电管的正柱区内的朗缪尔探针的电压（一般-100V 到+100V 变化），使之吸收等离子体内的离子和电子，并分析探针上的电流 I 和电压 V 的关系可以对等离子体进行诊断分析。本实验的实际操作有助于更加深刻的理解老师在课堂上讲授的相关理论。朗缪尔探针是研究等离子体特性的主要工具，要求学生通过本次实验了解朗缪尔探针的测量等离子体的基本原理；熟练测量朗缪尔探针的 I-V 特性曲线；能够通过 I-V 特性曲线计算分析出等离子体的有关参数。通过本实验应使学生充分理解如下内容： ①等离子体空间电位 ②等离子体悬浮电位 ③等离子体密度(电子密度=离子密度) ④电子温度 ⑤朗缪尔探针(单探针)进行等离子体诊断的理论
SSV-40 型气体放电与等离子体诊断仪 1 台(如图 1 所示);实验报告；实验指导手册；记录笔和记录纸；可拍照手机。 图 1 SSV-40 型气体放电与等离子体诊断仪
3.考察知识点 ⑴等离子体参数 等离子体空间电位：等离子体相对于地的电位(差)。 等离子体密度：等离子体由电子和正离子组成，宏观呈现电中性的物质状态，因此宏观的电子密度和离子密度相等也等于等离子体密度。电子温度：等离子体中大量电子做运动具有的动能的宏观表现即温度。 探针悬浮电位：朗缪尔探针悬浮在等离子体中(由于是悬浮状态探针电流为零）时探针相对于地的电位差 德拜长度：德拜长度描述等离子体最小尺度，只有大于德拜长度的尺度才可以认为是等离子体，小于德拜长度区域内存在的电子离子的局部不稳定运动或者说局部空间电荷不为 0，不能认为是等离子体。因此德拜长度是等离子体重要的指标，一般朗缪尔探针的针尖尺度应该小于德拜长度以致于接触式测量不至于对等离子体产生干扰。 图 2 SSV-40型放电与等离子体诊断仪放电与诊断电路简图
等离子体增强化学气相沉积(P E C V D)综述
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）综述 摘要：本文综述了现今利用等离子体技术增强化学气相沉积（CVD）制备薄膜的原理、工艺设备现状和发展。 关键词：等离子体；化学气相沉积；薄膜； 一、等离子体概论——基本概念、性质和产生 物质存在的状态都是与一定数值的结合能相对应。通常把固态称为第一态，当分子的平均动能超过分子在晶体中的结合能时，晶体结构就被破坏而转化成液体(第二态)或直接转化为气体(第三态)；当液体中分子平均动能超过范德华力键结合能时，第二态就转化为第三态；气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外层电子脱离原子核，形成电子、正离子和中性粒子混合组成的一种集合体形态，从而形成了物质第四态——等离子体。 只要绝对温度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离，并非任何的电离气体都是等离子体。严格地说，只有当带电粒子密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，换言之，这样密度的电离气体才能够转变成等离子体。此外，等离子体的存在还有空间和时间限度，如果电离气体的空间尺度L下限不满足等离子体存在的L>>l D（德拜长度l D）的条件，或者电离气体的存在的时间下限不满足t>>t p（等离子体的振荡周期t p）条件，这样的电离气体都不能算作等离子体。
在组成上等离子体是带电粒子和中性粒子（原子、分子、微粒等）的集合 体，是一种导电流体，等离子体的运动会受到电磁场的影响和支配。其性质宏观上呈现准中性（quasineutrality ），即其正负粒子数目基本相当，系统宏观呈中性，但是在小尺度上则体现电磁性；其次，具有集体效应，即等离子体中的带电粒子之间存在库仑力。体内运动的粒子产生磁场，会对系统内的其他粒子产生影响。 描述等离子体的参量有粒子数密度n 和温度T 。 通常用n e 、n i 和n g 来表示等离子体内的电子密度、粒子密度和中性粒子密度。当n e ＝n i 时，可用n 来表示二者中任一带电粒子的密度，简称等离子体密度。但等离子体中一般含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度与粒子密度不一定总是相等。对于主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，可以认为n e ≈ n i ，对此，定义：a =n e /( n e + n g )为电离度。在热力学平衡条件下，电离度仅取决于粒子种类、粒子密度及温度。用T e 、T i 和T g 来表示等离子体的电子温度、离子温度和中性粒子温度，考虑到“热容”，等离子体的宏观温度取决于重粒子的温度。在热力学平衡态下，粒子能量服从麦克斯韦分布，单个粒子平均平动能KE 与热平衡温度T 关系为： 21322 kT KE mv == 等离子体的分类按照存在分为天然和人工等离子体。按照电离度a 分为： a<<0.1称为弱电离等离子体，当a ＞ 0.1时，称为为强电离等离子体；a ＝1 时，则叫完全等离子体。按照粒子密度划分为致密等离子体n ＞1518310cm -，若ｎ＜1214310cm -为稀薄等离子体。按照热力学平衡划分为完全热力学平衡等离子体，即
实验三电感耦合等离子发射光谱定量分析 一、实验目的 1．初步掌握电感耦合等离子发射光谱仪的使用方法。 2．学会用电感耦合等离子发射光谱法定性判断试样中所含未知元素的分析方法。 3．学会用电感耦合等离子发射光谱法测定试样中元素含量的方法。 二、实验原理 原子发射光谱法是根据处于激发态的待测元素的原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。各种元素因其原子结构不同，而具有不同的光谱。因此，每一种元素的原子激发后，只能辐射出特定波长的光谱线，它代表了元素的特征，这是发射光谱定性分析的依据。 电感耦合等离子发射光谱仪是以场致电离的方法形成大体积的ICP 火焰，其温度可达10000 K，试样溶液以气溶胶态进入ICP 火焰中，待测元素原子或离子即与等离子体中的高能电子、离子发生碰撞吸收能量处于激发态，激发态的原子或离子返回基态时发射出相应的原子谱线或离子谱线，通过对某元素原子谱线或离子谱线的测定，可以对元素进行定性或定量分析。ICP 光源具有ng/mL 级的高检测能力；元素间干扰小；分析含量范围宽；高的精度和重现性等特点，在多元素同时分析上表现出极大的优越性，广泛应用于液体试样（包括经化学处理能转变成溶液的固体试样）中金属元素和部分非金属元素（约74种）的定性和定量分析。 三、仪器与试样 仪器：ICP OES-6300 电感耦合等离子发射光谱仪 试样：未知水样品(矿泉水) 四、实验内容 1．每五位同学准备一水样品进行定量分析，熟悉测试软件的基本操作，了解光谱和数据结果的含义。 2．观摩定量分析操作，学会分析标准曲线的好坏，掌握操作要点和测试结果的含义。 五、实验步骤 1．样品处理 （1）自带澄清水溶液20 mL，要求无有机物，不含腐蚀性酸、碱，溶液透明澄清无悬浮物，离子浓度小于100 μg/mL。 （2）将待测液倒入试管。